CN110608977B - 一种室内模拟自然河道演变过程中侧向潜流交换的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内模拟自然河道演变过程中侧向潜流交换的测量方法，包括以下步骤：根据实验方案绘制几何河道，并控制流量，连续冲刷一段时间后形成一定发展程度自然河道；改变河道中的水温，用红外热像仪拍摄侧向潜流交换的热图像，进行数据处理；每隔一段时间，对于形成的新的发展程度的河道，重复上述测量，直至河道形态稳定。本发明可连续测得高精度数据；用于室内试验，相对于传统野外测量方法，测量时间短，且易于操作；能够排除垂向潜流交换的干扰；仪器价格便宜、不易破损、寿命长且易于维修保养；测量灵敏，结果直观；可以获得河道演变过程中不同发展程度的河道中的侧向潜流交换特性，确定河道发展程度对侧向潜流交换的影响。

Description

一种室内模拟自然河道演变过程中侧向潜流交换的测量方法
技术领域
本发明涉及河流潜流交换领域，尤其涉及一种室内模拟自然河道演变过程的侧向潜流交换测量方法。
背景技术
潜流带是指河流河床内水分饱和的沉积物层，是河水和地下水相互作用的区域，对于水环境污染研究与河流生态环境的修复有着重要意义。因此，为了彻底解决中国东部水环境污染与确保西部水资源开发中河流生态系统的健康等问题，需要对潜流交换和潜流带有更深、更全面的认识和了解。
而河道演变是一个漫长的过程，在自然条件下，河床总是处在不停的变化之中。在演变过程中，不同发展程度的河道的潜流特性也不同。现有的潜流交换研究，建立在现有的发展到某种程度的河道中，无法对其他发展阶段的河床中的潜流交换过程进行研究分析。将每一阶段潜流交换特性的横向研究与演变过程中不同发展程度的河道潜流交换特性的纵向研究相结合，对于揭示河道演变对潜流交换的影响有着重大意义。
目前对于侧向潜流交换的研究较少，且使用传统现场监测技术对潜流交换机理的研究比较多，比如：液体比重测定方法、地下溶质示踪剂法和河流示踪剂方法。前两种方法存在压力计布置网的问题；后一种方法对活动河道和漩涡之间的交换非常敏感，用它来测定潜流交换也有较大的不确定性。示踪剂方法多是对河流潜流交换模式的半定量分析，无法对河流潜流带动态交换过程的时空分布特征进行精准刻画，成本较高，操作复杂，环境示踪剂在近地表环境中广泛分布，容易对试验过程和计算结果造成干扰，部分示踪剂还可能对环境造成二次污染。
因此亟需开发可用于室内使用的一种在模拟自然演变过程中的不同发展程度河道中侧向潜流交换测量方法，完成测量的室内简化。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种室内模拟自然河道演变过程的侧向潜流交换测量方法，用以研究不同发展程度的河道中的侧向潜流交换特性，揭示河道发展程度对于潜流交换的影响。
技术方案：本发明包括以下步骤：
(1)在水槽内绘制几何河道，并向水槽内注入常温水；
(2)对绘制的河道进行自然冲刷，直至河道稳定，同时拍摄河道形成过程；
(3)改变河道中的水温，用红外热像仪拍摄侧向潜流交换的热图像；
(4)根据河岸潜流带的热图像，分析河流与两侧河岸地下水的交互过程，进行数据处理；
(5)将水槽与常温水箱连接，重复步骤(2)～(4)，直至河道形态稳定。
所述步骤(3)中河道水温的改变方式为：将水槽与恒温水箱连接。
所述的恒温水箱内置有恒温器，以加热和控制水箱中的水在某温度范围内。
所述步骤(4)中的数据处理过程为：
1)首先给定阈值T0＝(T1+T2)/2，将T>T0的区域作为潜流交换有效区域，确定关键参数，其中，T0为潜流交换温度阈值、T1为地下水初始温度、T2为连通恒温水箱后的河道水温；
2)通过热图像的变化过程确定潜流交换的迁移路径；
3)热图像基本稳定后，通过红外热像仪确定温度T>T0的区域作为潜流交换的影响范围，将潜流交换影响范围内的区域分割为若干细条状区域，按照矩形面积近似求取每一条状区域的面积Si，得到潜流交换影响范围的面积S＝∑Si；
4)记录热图像开始发生变化到某点温度到达T0的最长时间，即为停留时间t。
所述的水槽一侧设有进水口，另一侧设有出水口，所述的进水口顶部高于水槽内部的石英砂表面5mm，出水口顶部高于石英砂表面1cm，进水口高度高于出水口高度，保证了水的畅通流动，避免积水。
所述水槽的侧壁上夹有拍摄杆，拍摄杆顶部设有红外热像仪和摄像机，所述的红外热像仪和摄像机正对水槽上方，拍摄河道形成过程及热水状态下潜流交换的热图像。
所述的红外热像仪通过数据线与显示器连接，显示热图像及数据。
有益效果：本发明可连续测得高精度数据；用于室内试验，相对于传统野外测量方法，测量时间短，且易于操作；能够排除垂向潜流交换的干扰；仪器价格便宜、不易破损、寿命长且易于维修保养；测量灵敏，结果直观；可以获得河道演变过程中不同发展程度的河道中的侧向潜流交换特性，确定河道发展程度对侧向潜流交换的影响。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明采用的测量装置，包括水槽4，其材质为有机玻璃，高度不宜过高，以排除垂向潜流交换的影响，尺寸为：长1.2m，宽80cm，高10cm，水槽4下游的侧壁夹有拍摄杆11。水槽4底部铺设一层厚度为3mm的粘土层2，粘土层2上方铺设一层厚度为7cm的石英砂层3，粘土层2用于保持石英砂的稳定，防止石英砂被水冲走。水槽4左侧设有进水口，右侧设有出水口，进水口连接进水导管9，出水口连接出水导管10，水槽进水口及进水导管9的内径均为15mm，出水口及出水导管10的内径为30mm。进水口顶部高于石英砂表面约5mm，出水口顶部高于石英砂表面约1cm，进水口与出水口分别与绘制河道的首尾相接，出水口及出水导管10的内径大于进水口及进水导管9的内径，进水口高度高于出水口高度，从而保证了水的畅通流动，避免积水。
水槽4上游的底部固定有伸缩架1，伸缩架1与进水导管9位于水槽4同一侧，伸缩架1的可调节高度为0～10cm，以控制水槽坡降大小。伸缩架1采用可收缩式X型升降架，材质为铝合金，具有承载力好、耐压性强的优点。伸缩架1的顶端与水槽4的连接处安装有防滑垫，以防止水槽4滑落。进水导管9上依次设有阀门8和流量计7，用以控制人工河道过水流量并通过流量计7准确测量，其末端连接有水泵6，进水导管9的末端连同水泵6一起和出水导管10放置在同一水箱内。水箱包括恒温水箱5和常温水箱17，其中，恒温水箱5内放置有恒温器16，以加热和控制水箱内的水保持在某温度范围内(高于室温)。水泵6放置于恒温水箱5或者常温水箱17内，水泵6采用直流微型潜水泵，最大扬程为5m，最大流量为4L/min。水泵6通过进水导管9依次连接流量计7、阀门8和进水口。进水导管9与水泵6、流量计7、阀门8的连接处，以及出水导管10与出水口的连接处均安装有防渗胶垫，防止水的渗漏，保持密封性良好。
水槽4右侧设有拍摄杆11，拍摄杆11的高度为1.5m，可夹装在水槽4下游。拍摄杆11末端固定有摄像机12和红外热像仪13，摄像机12和红外热像仪13垂直固定在正对水槽4的上方，用摄像机12垂直拍摄河道形成过程，红外热像仪13拍摄温水作用下的潜流交换过程，并通过数据线14与显示器15连接，采集水槽4内的热图像。
本发明的测量方法包括以下步骤：
(1)根据实验方案控制河道几何形状与流量控制：
根据研究需要，选择合适的初始波长和振幅，按照正弦函数形状在石英砂层绘出多个特征点，用一方柱连接各特征点，将河道绘制于石英砂层3上，形成初始为矩形断面与固定河宽的河道，进水导管9与出水导管10均与常温水箱17相连通；调节阀门8控制过水流量，使流量计7读数稳定在某一流量后读取流量。
(2)模拟河流自然演变过程：
在此流量下通过将进水导管9与常温水箱17连接，对绘制的河道进行自然冲刷。河道形态在水流的冲刷下会发生变化，河道曲率会逐渐增大，慢慢变成符合实际形状的河道，在这个过程中会出现不同的状态，把这些不同的状态称为不同发展程度的河道，然后每隔一定时间，重复步骤(3)～(4)，完成此状态下的实验，时间间隔由河道形态变化和研究需求决定(一般在几小时到几十小时之间)，直至河道稳定，同时使用摄像机12拍摄河道形成过程。
(3)改变河流水温：
在某发展阶段的河道状况下，将进水导管9改为与恒温水箱5相连通，出水导管10与常温水箱17相连通，并打开恒温水箱5中的恒温器16，使温度保持在70℃±0.2℃的范围内，向水槽4内注入温水，恒温水箱5中的恒温器16保持恒温水箱5中的水在一定温度，拍摄杆11可将红外热像仪13拍摄到的热水状态下潜流交换的热图像通过显示器15呈现并记录。
(4)数据处理：
根据河岸潜流带的热图像，分析河流与两侧河岸地下水的交互过程，确定迁移路径、影响范围、停留时间等参数。
具体步骤为：
1)首先给定阈值T0＝(T1+T2)/2，将T>T0的区域作为潜流交换有效区域，确定关键参数，其中，T0为潜流交换温度阈值、T1为地下水初始温度、T2为连通恒温水箱后的河道水温；
2)通过热图像的变化过程确定潜流交换的迁移路径；
3)热图像基本稳定后，通过红外热像仪确定温度T>T0的区域作为潜流交换的影响范围，将潜流交换影响范围内的区域分割为若干细条状区域，按照矩形面积近似求取每一条状区域的面积Si，得到潜流交换影响范围的面积S＝∑Si；
4)记录热图像开始发生变化到某点温度到达T0的最长时间，即为停留时间t。
(5)将进水导管9与常温水箱17连接，重复步骤(2)～步骤(4)，直至河道形态稳定。

Claims (6)

1.一种室内模拟自然河道演变过程中侧向潜流交换测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在水槽内绘制几何河道，并向水槽内注入常温水；
(2)对绘制的河道进行自然冲刷，直至河道稳定，同时拍摄河道形成过程；
(3)改变河道中的水温，用红外热像仪拍摄侧向潜流交换的热图像；
(4)根据河岸潜流带的热图像，分析河流与两侧河岸地下水的交互过程，进行数据处理，所述的数据处理过程为：
1)首先给定阈值T0＝(T1+T2)/2，将T>T0的区域作为潜流交换有效区域，确定关键参数，其中，T0为潜流交换温度阈值、T1为地下水初始温度、T2为连通恒温水箱后的河道水温，
2)通过热图像的变化过程确定潜流交换的迁移路径，
3)热图像稳定后，通过红外热像仪确定温度T>T0的区域作为潜流交换的影响范围，将潜流交换影响范围内的区域分割为若干细条状区域，按照矩形面积求取每一条状区域的面积Si，得到潜流交换影响范围的面积S＝∑Si，
4)记录热图像开始发生变化到某点温度到达T0的最长时间，即为停留时间t；
(5)将水槽与常温水箱连接，重复步骤(2)～(4)，直至河道形态稳定。
2.根据权利要求1所述的一种室内模拟自然河道演变过程中侧向潜流交换测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中河道水温的改变方式为：将水槽与恒温水箱连接。
3.根据权利要求2所述的一种室内模拟自然河道演变过程中侧向潜流交换测量方法，其特征在于，所述的恒温水箱内置有恒温器。
4.根据权利要求1所述的一种室内模拟自然河道演变过程中侧向潜流交换测量方法，其特征在于，所述的水槽一侧设有进水口，另一侧设有出水口，所述的进水口顶部高于水槽内部的石英砂表面5mm，出水口顶部高于石英砂表面1cm。
5.根据权利要求1所述的一种室内模拟自然河道演变过程中侧向潜流交换测量方法，其特征在于，所述水槽的侧壁上夹有拍摄杆，拍摄杆顶部设有红外热像仪和摄像机，所述的红外热像仪和摄像机正对水槽上方。
6.根据权利要求5所述的一种室内模拟自然河道演变过程中侧向潜流交换测量方法，其特征在于，所述的红外热像仪通过数据线与显示器连接。
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